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導(dǎo)讀
遺傳學(xué)中心法則表明，遺傳信息在精密的調(diào)控下通過信使RNA(mRNA)從DNA傳遞到蛋白質(zhì)。因此，mRNA被認(rèn)為是DNA與蛋白質(zhì)之間生物信息傳遞的一個(gè)“橋梁”，而所有表達(dá)基因的身份以及其轉(zhuǎn)錄水平，綜合起來被稱作轉(zhuǎn)錄組(Transcriptome)。轉(zhuǎn)錄組是特定組織或細(xì)胞在某一發(fā)育階段或功能狀態(tài)下轉(zhuǎn)錄出來的所有RNA的總和，主要包括mRNA和非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNA)。本文的作者利用高通量測序數(shù)據(jù)識(shí)別急性髓系白血病(AML)的生物學(xué)相關(guān)的分子亞型，并基于組學(xué)的對(duì)相關(guān)靶向藥物進(jìn)行篩選。
研究背景
AML是一種髓系腫瘤，其臨床過程和治療反應(yīng)具有高度異質(zhì)性。由于細(xì)胞遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和下一代測序(NGS，又稱高通量測序技術(shù))技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的預(yù)后標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)被確定下來。AML的分類已從French-American-British (FAB)形態(tài)學(xué)分型轉(zhuǎn)向更精細(xì)的WHO分類系統(tǒng)。此外，新的靶向藥物的出現(xiàn)，如FLT3、BCL2和IDH1/2抑制劑，提高了AML患者的長期生存。2010年以來，在AML和其他急性白血病中進(jìn)行了一些基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究。癌癥基因組圖譜(TCGA)項(xiàng)目解剖了AML的基因組圖譜，并提出了9類突變基因。另一項(xiàng)里程碑式的研究僅根據(jù)遺傳異常推薦了11類不同的AML。然而，4%的AML患者符合兩類或兩類以上的標(biāo)準(zhǔn)，11%仍未分類，5%沒有攜帶驅(qū)動(dòng)突變。因此，迫切需要開發(fā)和整合基因組改變以外的更多信息，以進(jìn)一步完善疾病的分類和治療策略。所以我們?nèi)匀恍枰_發(fā)和整合基因組改變之外的更多信息，以進(jìn)一步完善疾病的分類和治療策略。
研究思路
基于對(duì)RNA-Seq數(shù)據(jù)的共識(shí)聚類分析，作者確定了AML中八個(gè)穩(wěn)定的亞組(G1-G8)。T轉(zhuǎn)錄因子融合PML::RARA、CBFB::MYH11和RUNX1::RUNX1T1分別聚類為G1、G2和G3亞組。G4亞組中幾乎全部病例發(fā)生biCEBPA突變，另外有8例moCEBPA突變雜合度缺失(LOH)和11例CEBPA野生型(WT)病例，稱為biCEBPA/-like。相比之下，G5-G8亞群缺乏單一的亞群定義分子。G5亞組的特征是由AML、骨髓增生異常相關(guān)(AML-MR)組成，因此該亞組被命名為骨髓增生異常相關(guān)/樣(MR/-like)。G6-G8亞群包含NPM1突變、KMT2A和NUP98融合和分化實(shí)體，表明這些基因定義的亞型具有相對(duì)較高的異質(zhì)性（圖1）。
與G1-G4相比，G5-G8亞組HOXA/B、MEIS1和鈣依賴CPNE8基因表達(dá)水平更高，這是兩者之間最顯著的差異。與DNA甲基化基因、染色質(zhì)修飾因子和剪接體的相關(guān)的基因突變?cè)贕5-G8中顯著富集，這與老年患者、中高風(fēng)險(xiǎn)（歐洲白血病網(wǎng) (ELN)）以及這些亞組中出現(xiàn)更多的復(fù)發(fā)和死亡一致。G5亞組主要包括RUNX1、TP53、PHF6和“繼發(fā)性”突變(ASXL1、BCOR、EZH2、STAG2、U2AF1、SRSF2、SF3B1和ZRSR2)，這些突變通常在骨髓增生異常綜合征(MDS)轉(zhuǎn)化的AML中富集。G5組患者的核型、單染色體核型更加復(fù)雜，5、7、17號(hào)染色體異常，診斷時(shí)骨髓(BM)母細(xì)胞和白細(xì)胞計(jì)數(shù)(WBC)較低。同時(shí)，罕見的IKZF1、N159S熱點(diǎn)突變也聚集在G5亞組，而其他IKZF1突變大多數(shù)與biCEBPA同時(shí)發(fā)生，屬于G4亞組。最后三個(gè)亞組(G6-G8)聚集了更多的NPM1突變、KMT2A和NUP98融合、FLT3-ITD和KMT2APTD。值得注意的是，G8亞組中DNMT3A/NPM1/FLT3-ITD三聯(lián)突變頻率較高，在G6、G7和G8中則出現(xiàn)較少。而G7亞組中TET2或IDH2與NPM1/FLT3-ITD突變更為常見，分別占G6、G7和G8的0、28.4%和7.4%。作者排除了X/Y染色體上的基因，但與其他亞組相比，G7和G8亞組中的女性患者更多（圖2）。
接下來，作者試圖破譯已知和未被報(bào)道亞群的轉(zhuǎn)錄組失調(diào)特征?？紤]到細(xì)胞形態(tài)學(xué)是顯示細(xì)胞分化階段的傳統(tǒng)診斷方法，作者首先將基因表達(dá)亞群與FAB分類系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，G1 (PML::RARA)、G2 (CBFB::MYH11)、G3 (RUNX1::RUNX1T1)和G6分別對(duì)應(yīng)于t(8;21)易位的M3、M4、M2和M5（FAB命名法）。G4 (biCEBPA/like)亞組以M1/M2/M4為代表，G5 (MR/ like)以AML/M2/M4/M5為代表，G7主要以M2/M4為代表，G8以M4/M5為代表。此外，不同的分子亞型表現(xiàn)出不同的免疫細(xì)胞豐度。G2和G6中單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞較多，與FAB分類一致。
同時(shí)，作者參考了相關(guān)的單細(xì)胞RNA-Seq (scRNA-Seq)數(shù)據(jù)，以確定不同分化狀態(tài)的基因特征，其中包括造血干/祖細(xì)胞樣(hspc樣)、粒細(xì)胞-單核細(xì)胞前體細(xì)胞樣(gmp樣)和單核細(xì)胞樣細(xì)胞。通過降維處理，G1 - G8的每個(gè)亞型都具有不同的細(xì)胞類型特征。在G1-G8中，不同細(xì)胞類型的分子標(biāo)記表達(dá)水平不同。為了驗(yàn)證bulk RNA-Seq數(shù)據(jù)推斷的細(xì)胞組成，作者利用流式細(xì)胞術(shù)隨機(jī)分析了36例G1-G8 AML病例的免疫表型。在G5、G7和G8亞組中，CD34+CD38?成分在總白細(xì)胞中的比例明顯更高。此外，G1、G3和G4亞組的樣本表現(xiàn)出粒細(xì)胞分化免疫表型，而G2和G6亞組的樣本表現(xiàn)出典型的單核細(xì)胞表型。
最后作者評(píng)估各亞組的特征基因表達(dá)特征。HOXA/B家族基因在G5和G6-G8中分別表現(xiàn)為中表達(dá)和高表達(dá)。G5、G7和G8中LSC17（白血病干細(xì)胞的17基因標(biāo)志）信號(hào)上調(diào)。利用已發(fā)表的差異表達(dá)基因，可以將NMP1突變的AML分為“primitive”亞型和“committed”亞型，G6和G7分別表現(xiàn)出單核細(xì)胞譜系特征和干細(xì)胞特征，而G8表現(xiàn)出混合特征。因此，它們被命名為HOX-committed (G6，單核細(xì)胞)，HOX-primitive (G7，干細(xì)胞)和HOX-mixed (G8，干細(xì)胞和單核細(xì)胞分化階段)。除了這些明確的基因集，作者還描述了各亞群中特征基因和BCL2家族基因的表達(dá)水平（圖3）。
作者以G1 (PML::RARA)的生存期為參考，顯示8個(gè)亞組的生存結(jié)果。盡管G2 (CBFB::MYH11)、G3 (RUNX1::RUNX1T1)和G4 (biCEBPA/-like)亞組顯示了相對(duì)較長的總生存期(OS)，但這些患者中仍然出現(xiàn)了疾病復(fù)發(fā)的現(xiàn)象。就OS和無事件生存期(EFS)而言，G5 (MR/ like)和G8 (HOX-mixed)亞組的患者預(yù)后最差，而G6 (HOX-committed)和G7 (HOX-primitive)亞組的患者風(fēng)險(xiǎn)略低。考慮到年齡對(duì)AML的生存有顯著影響，作者將患者分為兩個(gè)年齡組。對(duì)于年齡大于60歲的患者，除少數(shù)ELN低風(fēng)險(xiǎn)亞組外，預(yù)后均較差。然而，G5和G8均可預(yù)測出年輕(≤60歲)AML患者的不良預(yù)后。
然后作者探討了代表性分子在亞群內(nèi)異質(zhì)性。在G4亞組中，biCEBPA樣基因表達(dá)的患者與攜帶biCEBPA突變的患者具有相似的預(yù)后。然而，其他亞組中CEBPA突變（幾乎都是moCEBPA）的預(yù)后極差。在G5亞組中，攜帶融合基因(主要是一些罕見的和以前未報(bào)道的基因)以及轉(zhuǎn)錄因子(TF)、腫瘤抑制因子(TS)和剪接體突變的患者有差的預(yù)后。作者探索了一些亞型的發(fā)病機(jī)制，其中作者將人CYB5A::DYM (G5) mRNA注射到斑馬魚胚胎中，這導(dǎo)致髓系標(biāo)記物lyz、mpx和lcp1的表達(dá)增加。在G8亞組中，與融合基因和NPM1突變的患者相比，有TF突變和其他遺傳病變的患者預(yù)后更差。為了闡明這些亞組的獨(dú)立預(yù)后價(jià)值，作者對(duì)非m3 AML患者進(jìn)行了多變量Cox分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)年齡、男性、血小板、白細(xì)胞計(jì)數(shù)和LSC17風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分都是不利預(yù)后的因素（圖4）。
通過利用基于自動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)(AutoML)的建模算法和不同的預(yù)處理步驟，可以準(zhǔn)確預(yù)測8個(gè)基因表達(dá)亞群，預(yù)測精度中位數(shù)為0.95。作者選擇從BM（骨髓）中收集的新診斷AML樣本，并從TCGA LAML隊(duì)列和Beat AML隊(duì)列中獲得可用數(shù)據(jù)?；谒⒌哪Ｐ?，兩個(gè)隊(duì)列都能重現(xiàn)G1-G8亞群，并顯示出相應(yīng)的表達(dá)和分化特征。TCGA LAML隊(duì)列中預(yù)測的G5、G6和G8亞組患者，以及Beat隊(duì)列中G5亞組患者具有顯著不良的臨床結(jié)果。
基于Beat AML隊(duì)列的體外藥敏數(shù)據(jù)，各個(gè)亞群對(duì)不同類型藥物具有不同的反應(yīng)。G1、G4和G5亞組對(duì)受體酪氨酸激酶(RTK)的多種抑制劑如Sorafenib、Sunitinib、Quizartinib、Pazopanib等表現(xiàn)出耐藥性，而G6-G8亞型對(duì)這些藥物表現(xiàn)出高敏感性。G2、G5和G6亞組對(duì)BCL2抑制劑Venetoclax耐藥。作者觀察到單核細(xì)胞表型(G2和G6)對(duì)組蛋白去乙?；?HDAC)抑制劑Panobinostat和RTK抑制劑Dasatinib有明顯的敏感性，這兩種藥物通常用于血液系統(tǒng)惡性腫瘤。綜上所述，這些數(shù)據(jù)證實(shí)了定義的基因表達(dá)亞群在AML中的臨床應(yīng)用，這可能有助于更合理的治療，并為開發(fā)新的藥物提供支持（圖5）。
全文總結(jié)
本研究作者基于轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，建立了8個(gè)AML分子亞群(G1-G8)。每個(gè)亞組表現(xiàn)出獨(dú)特的臨床特征、遺傳病變和發(fā)育等級(jí)。該分類系統(tǒng)反映了AML中調(diào)節(jié)回路的復(fù)雜相互作用，并補(bǔ)充和豐富了目前公認(rèn)的基于基因組的分類方案，從而可能為疾病的發(fā)病機(jī)制提供創(chuàng)新的見解。此外，本研究的轉(zhuǎn)錄組分類顯示了預(yù)后價(jià)值，并提供了亞型特異性藥物敏感性信息，這可能有助于AML患者的治療決策。
參考文獻(xiàn)
1. Cheng WY, Li JF, Zhu YM, et al. Transcriptome-based molecular subtypes and differentiation hierarchies improve the classification framework of acute myeloid leukemia. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022;119(49):e2211429119. doi:10.1073/pnas.2211429119
